Zašto PAUL treba ogroman skup podataka za poboljšanje svojih kretanja

Tablica veza

Sažetak i 1 Uvod

2 Povezana djela

2.1 Pneumatsko pokretanje

2.2 Pneumatske ruke

2.3 Upravljanje mekim robotima

3 PAUL: Dizajn i proizvodnja

3.1 Dizajn robota

3.2 Odabir materijala

3.3 Proizvodnja

3.4 Banka izvedbe

4 Prikupljanje podataka i kontrola otvorene petlje

4.1 Postavljanje hardvera

4.2 Sustav snimanja slike

4.3 Generiranje skupa podataka: modeli temeljeni na tablici

4.4 Kontrola otvorene petlje

5 rezultata

5.1 Konačna PAUL verzija

5.2 Analiza radnog prostora

5.3 Izvedba modela temeljenih na tablici

5.4 Pokusi savijanja

5.5 Eksperimenti s utezima

6 Zaključci

Informacije o financiranju

A. Provedeni eksperimenti i reference

4.3 Generiranje skupa podataka: modeli temeljeni na tablici

Zbog složenosti robota, metodologije temeljene na modelu, poput PCC-a ili one temeljene na Cosserat Rod Theory su odbačene. Iako je korištenje FEM-a put koji neće biti zatvoren u budućem radu, velik broj parametara koje treba postaviti eksperimentalno za svaki segment (Youngov modul, moment inercije...), s obzirom na to da je proizvodni proces toliko varijabilan, znači da smo u ovoj prvoj fazi odlučili koristiti neku vrstu PAUL modeliranja na temelju prikupljanja podataka.

Izlaz sustava uzima se kao položaj i orijentacija do koje je došao konačni kraj – stoga se u ovoj fazi zanemaruju svi položaji srednjih segmenata – a kao ulaz, vrijeme napuhavanja svakog od mjehura. Kako u vrijeme konstrukcije robota nije bilo dovoljno dostupnih senzora tlaka, odlučeno je uzeti vrijeme napuhavanja kao ulaznu varijablu. Budući da je radni tlak ograničen ventilom za ograničavanje tlaka i može se pretpostaviti da je brzina protoka u svaki mjehur konstantna, vrijeme je ekvivalentno volumenu zraka uvedenog u svaku šupljinu.

Svim razmatranim opcijama kontrole zajednička je potreba za velikom količinom empirijskih podataka, što dovodi do potrebe za razvojem eksperimentalnog dizajna za sistematizaciju prikupljanja tih podataka. Budući da se prikupljanje ovih informacija odvija u različitim fazama, a skupovi podataka moraju prikazati ponašanje robota na objektivan način, ponovna primjenjivost eksperimenta dobiva posebnu važnost.

Podaci pohranjeni u skupovima podataka bili su položaj vrha robota i skup vremena napuhavanja koja postižu ovu konfiguraciju. Prethodno spomenuto ograničenje da su samo dva od tri mjehura u segmentu napuhana smanjuje redundancije. Kao što je prethodno navedeno, više od dva segmenta dovodi do redundancija, što implicira da inverzni kinematički model robota može imati više rješenja.

Proces prikupljanja podataka uključuje nekoliko uzastopnih koraka. U početku se određuje određeni broj uzoraka. Za svaki uzorak, Matlab naredbe šalju slučajnu kombinaciju od devet vremena napuhavanja, koja odgovaraju svakom PAUL ventilu, na stol za aktiviranje. Vremena se generiraju ispod maksimalnog vremenskog ograničenja Tmax i osiguravaju da su samo dvije šupljine po segmentu napuhane. Nakon toga se robotovi mjehuri napuhavaju na temelju poslanih vremena. Nakon toga, dvije kamere vizualnog sustava snimaju slike kako bi odredile položaj i orijentaciju kraja robota. Cijeli ovaj postupak se ponavlja u određenom broju ponavljanja, a nakon završetka prikupljeni podaci se pohranjuju u skup podataka

Informacije o vremenu bubrenja pohranjuju se kao postotak, s vrijednošću 0 koja odgovara nultom bubrenju tog segmenta i 100 koja odgovara Tmax, bubrenju za najveći broj milisekundi definiranih za ovu sesiju prikupljanja podataka. Ova vrijednost Tmax pohranjuje se zajedno s vrijednostima u skupu podataka kako bi se mogli usporediti različiti skupovi podataka. Razlog za ovo kodiranje proizlazi iz nedostatka informacija, a priori, o tome koji je maksimalni tlak koji podržava PAUL mjehur. Iako je točno da je eksperimentalno utvrđeno da vremena napuhavanja od više od 1500 ms za redom dovode do proboja, primjena nižih vremena tijekom ponovljenog broja ciklusa također stvara curenje. Na temelju toga odlučeno je da se nikad ne napuhuje nijedan ventil, bilo u jednom ili više koraka, više od 1000 ms.

Zajedno s vremenima napuhavanja svakog mjehura, pohranjuje se položaj i orijentacija do koje je došao krajnji vrh, na temelju očitanja komore. Konkretno, pohranjuje se položaj zelene oznake i orijentacija triedra. Potonji se izražava u Eulerovim kutovima, jer je mnogo učinkovitiji oblik pohrane od matrice rotacije. Osim toga, skup podataka također sadrži metapodatke iz procesa prikupljanja za koje se vjeruje da utječu na rezultate, poput tlaka u pneumatskom vodu ili temperature okoline.

Neki aspekti pneumatskog sustava zaslužuju pozornost. U početku, napuhavanje i ispuhivanje mjehura nisu simetrični procesi. Geometrijska ograničenja u pneumatskim komponentama rezultiraju nižom stopom ispuhavanja u usporedbi s napuhavanjem. Posljedično, kada PAUL primi vrijeme ispuhavanja, množi ga s empirijski izvedenim faktorom, otprilike 1,45 za radni tlak od 1,2 bara. Ovaj multiplikator kompenzira razliku između vremena napuhavanja i ispuhavanja pojedinačne skupine mjehurića, osiguravajući da je vrijeme ispuhavanja usklađeno s vremenom potrebnim za postizanje iste točke napuhavanja.

Slično, iako je fizički moguće napuhati nekoliko ventila u isto vrijeme, pokazalo se da ova paralelna distribucija protoka znači da efektivna punjenja svakog ventila nisu ista kao da su napuhani pojedinačno. Kako bi se spriječio ovaj fenomen, odlučeno je napuhati svaki mjehur pojedinačno, tijekom procesa prikupljanja podataka i iznenada, kada je PAUL zamoljen da dosegne određene položaje.

Naposljetku, postoje fenomeni histereze u silikonu koji uzrokuju da se položaj postignut napuhavanjem u vremenu t razlikuje od položaja postignutog napuhavanjem prvo u vremenu t1, a zatim u vremenu t2 = t − t1. Strategija korištena za rješavanje ovog problema bila je uhvatiti skup podataka vraćajući PAUL na njegovu nultu poziciju između svakog uzorka. Međutim, kada se upravlja robotom u otvorenoj petlji, to nije moguće, ili, barem, nije poželjno, budući da netko želi slijediti putanje ili putovati kroz slijed točaka. Stoga prijelaz iz položaja x1 u x2 zahtijeva dodatni faktor od 1,2, također izveden eksperimentalno, da bi se uzeli u obzir učinci histereze.

4.4 Kontrola otvorene petlje

Nakon što se skup podataka generira, može se koristiti za modeliranje ponašanja PAUL-a za upravljanje otvorenom petljom. Predviđeno je, kao buduća linija, treniranje neuronske mreže za direktnu kinematiku i još jedne za inverznu kinematiku. Međutim, s obzirom na veliku količinu podataka koji bi mogli biti potrebni (u [62] 24389 uzoraka korišteno je za trosegmentnog robota kao što je ovaj), za ovaj rad korištena je metoda pretraživanja u tablici.

Metoda izravne kinematike – koja omogućuje dobivanje položaja i orijentacije krajnjeg kraja robota iz vremena napuhavanja devet mjehurića – sastoji se od pretraživanja, u skupu podataka generiranom u prethodnom koraku, tri vrijednosti vremena napuhavanja koje se nalaze na kraćoj udaljenosti od vremena napuhavanja danog kao referenca. Očito, da je skup traženih vremena inflacije u tablici, vrijednost povezana s tim vremenima bila bi vraćena kao rezultat izravnog kinematičkog modela. U suprotnom, prosjek vrijednosti položaja i orijentacije povezanih s tri najbliža vremena inflacije, ponderiran udaljenošću (euklidska norma) koja postoji između svakog od njih i vrijednosti referentnih vremena inflacije, vraća se kao vrijednost položaja i orijentacije robota.

S njima je moguće izračunati položaj koji vraća izravni kinematički model pomoću izraza: